במהלך העשור האחרון, עם השיפור המתמיד של מקור המשאבה ומבנה הלייזר, השתפרה מאוד טכנולוגיית הלייזר של סיבים. מבוסס על הסיב האופטי המסומם (YDF-Laser) נמצא בשימוש נרחב במחקר תעשייתי, מדעי וכו' בגלל יעילות המרה חשמלית-אופטית גבוהה, איכות אלומה טובה יותר ויציבות.
איור 1. קצב ספיגה ספקטרלי של חומרי מתכת שונים
לייזרים סיבים חד-מודים בעלי הספק גבוה של היום הצליחו מזמן ליישם בקלות פלט כוח אופטי דיגיטלי ברמת KW, מה שמייצר לייזרים כאלה בתחום עיבוד המתכות. באותם תנאי כוח תפוקת אור, עקב קצב הספיגה השונה, הלייזר סיב 1 מיקרון המבוסס על הסיב הבוגר משתפר משמעותית כאשר לייזר CO2 של 10 מיקרון יעיל יותר מחומר המתכת. איור 1 נותן את קצב הספיגה הספקטרלית של חומרי מתכת שונים, מה שניתן לראות מהאיור שרוב חומרי המתכת על מאפייני הבליעה של הספקטרום מציגים נטייה לרדת ככל שאורך הגל האופטי עולה. ברור שחומר המתכת חזק יותר מאורך הגל הפלט של כ-1070 ננומטר ביחס לאורך הגל הפלט של לייזר CO2 בלייזר CO2 ב-10.6um. בפרט, קצב הספיגה של ברזל המתכת באורך גל של 1070 ננומטר נמוך כמעט פי 6 מתנאי אורך הגל של 10.6um.
איור 2. ספיגה יחסית של סיבים אלומינוסיליקט ופוספוסיליקט (YB) על ספקטרום 800-1100 ננומטר
מכיוון שלסיב האופטי המעורב יש מאפיין ספיגה חזק מאוד של 976 ננומטר ואורך גל של 915 ננומטר, לייזרים כאלה נשאבים בעיקר על ידי לייזר מוליכים למחצה (LD) שפולט את אורך הגל הנ"ל. איור 2 הוא שני סיבים אופטיים מסוממים אופייניים לשיעורי ספיגה יחסיים של ספקטרוסקופיה של 800 עד 1100 ננומטר, ויש שיא ספיגה משמעותי בקרבת 915 ננומטר ו-976 ננומטר. קצב הספיגה של גלי אור 976 ננומטר בסיב השלכת אלומינוסיליקט הוא כמעט פי שלושה מגל האור של 915 ננומטר, וקצב הספיגה של הראשונים בפוספוסיליקט הוא כמעט פי 5 מהאחרון. חיסרון כזה שונה, כלומר לייזרים כאלה מאמצים טכנולוגיית משאבת LD 976nm כדי להשיג יעילות המרה אופטית של אור גבוה יותר. יחד עם זאת, ספיגה גבוהה יותר פירושה גם להפחית ביעילות את אורך הסיבים, ובכך להגביל את ההשפעות הלא ליניאריות המזיקות במידה מסוימת.
איור 3 עקומת אובדן פוטון דינוף (PD) של שלבי אנרגיית יון YB שונים.
נכון לעכשיו, לייזרים סיבים מסוממים באדמה נדירים בעלי השפעה גדולה צריכים להתמודד עם בעיות פוטודיציונליות. בעיה זו גורמת לירידה משמעותית בהספק המוצא של הלייזר, ביציבות ובחיי העבודה. חושך פוטון התופעה מדווחת גם במספר רב של לייזרים סיבים מסוממים ביונים. נהוג לחשוב שתופעה זו נגרמת על ידי מרכז צבע המיוצר במטריצת הזכוכית. מחקרים קודמים הציעו הרבה דרך אפשרית לפתור את דקט הפוטון הזה, כולל זרחן מסומם בסיב, באמצעות לייזר 405 ננומטר, הלבנת צילום, אפילו באמצעות טמפרטורה גבוהה, חישול של פוטון דצימנציה של פוטון מתרחשת. . ביניהם, למרות שניתן לדכא את הזרחן ביעילות, אובדן הרקע והצמצם המספרי גדלים.
מחקרים קודמים של צוות קופונן, על פוטון כהה יותר הראו שמהירות צריכת הפוטונים תלויה במידה רבה בריכוז של קרדית עירור, שהוא היפוך מצב האנרגיה של היון (YB Inversion Rate). הם מצאו ששיעורי צריכת הפוטונים היו פרופורציונליים לפי 7 בקצב היפוך האנרגיה היונית. עקומה של הפסדי פוטון שמקורם בזמן באיור 3 באיור 3 ניתנת באיור 3. הנתונים מאוד אינטואיטיביים שקצב הכהיית הפוטונים גדל בחדות עם הגידול בהיפוך האנרגיה.
איור 4, קצב הפוך של אנרגיית יון YB כעקומת שינוי כוח המשאבה בתנאי משאבה של 976 ננומטר ו-920 ננומטר (הנח שנתוני קצב ההיפוך חלקים מספיק כאשר השונות הסטנדרטית היא פחות מ-1%)
קצב היפוך מצב האנרגיה בסיב המסומם מושפע ממסת הסיב, כוח המשאבה, משוב האור ואורך הגל של אורך גל האור המשאבה. ניתן לדכא במידה רבה אורך גל אור משאבה מתאים במידה רבה. היפוך מצב האנרגיה מוגדר באופן גס כיחס של בליעה פוטונית עם אותו חתך פליטה באורך גל מסוים של אור המשאבה, ואז מתקבל מצב האנרגיה של הסיב המסומם בשני תנאי אור משאבה של 976 ננומטר ו-920 ננומטר. קצב ההיפוך משתנה עם שינוי כוח המשאבה (איור 4). אמנם ספקטרום הבליעה באיור 2 באיור 2 הראשון מצביע על כך שמאפייני הקליטה של אור אורך הגל 976 ננומטר חזקים משמעותית מאורכי גל אחרים, אך מכיוון שאור אורך הגל 976 ננומטר גדול יחסית, הוא מתקבל לבסוף על ידי אור משאבה מאשר באור המשאבה. 920 ננומטר. האנרגיה הנמוכה יותר במצב נמוכה יותר. למרות שהנתונים לא נתנו ישירות את היפוך מצב האנרגיה של משאבת 915 ננומטר, עדיין ניתן היה לשער שלמקור האור של משאבת 976 ננומטר יש פוטנציאל תת-פרופיל אנטי-אופטי חזק יותר מהקודם.
למרות שלשיטת המשאבה של 976 ננומטר יש קצב ספיגה גבוה יותר ויעילות המרת אור, היא יכולה להפחית ביעילות את אורך סיב הרווח, וניתן להפחית את אפקט קנאש הפוטון המזיק, אבל זה יחסית למצב משאבת 915 ננומטר על טיפול וצימוד סיבים . טכני זה יותר קשה. יתרה מכך, ספקטרום הספיגה של הסיב המשולב בטווח של 976 ננומטר צר מדי. השינוי באורך הגל הנגרם כתוצאה מתנודת הטמפרטורה של מקור המשאבה עלול לגרום לאי יציבות של כוח פלט הלייזר, ולטכנולוגיית משאבה זו יש דרישה קפדנית מאוד של מערכת הניהול התרמית של הלייזר. בגלל זה, רק כמה יצרני לייזר הם כמו ה-IPG של גרמניה, ארצות הברית Coherent-Rofin, ו-GW בארה"ב ויצרנים אחרים משתמשים במקור משאבת 976 ננומטר בלייזרים תעשייתיים בקנה מידה גדול.
זמן פרסום: 27 ביולי 2021